APP下载
登录
数字信号处理器（DSP)
基本简介
数字信号处理器（digital signal processor) 由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成某种信号处理任务的处理器。它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理功能不断提高和扩大。
内置数字信号处理器(DSP，DigitalSignalProcessor)是车载主机内以逻辑电路对音视频数字信号进行再加工处理的专用元件，是一个统称名词，包括数字效果器、EQ、3D环绕等等。数字信号处理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。
应用
数字信号处理器并非只局限于音视频层面，它广泛的应用于通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域。以往是采用通用的微处理器来完成大量数字信号处理运算，速度较慢，难以满足实际需要；而同时使用位片式微处理器和快速并联乘法器，曾经是实现数字信号处理的有效途径，但此方法器件较多，逻辑设计和程序设计复杂，耗电较大，价格昂贵。数字信号处理器DSP的出现，很好的解决了上述问题。DSP可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。
对于车载主机而言，数字信号处理器DSP主要是提供特定的音场或效果，例如剧场、爵士乐等等，有些还能接收高清晰度(HD)无线电和卫星无线电等等，以达到最大的视听享受。数字信号处理器DSP增强了车载主机的性能和可用性，提高了音视频质量、提供了更多的灵活性和更快的设计周期。随着技术的发展，相信以后还能提供更多的听觉和视觉特效，而使车载主机成为车内的高科技信息和娱乐中心 [1] 。
分类
数字信号处理器按其可编程性可分为可编程和不可编程两大类。不可编程的信号处理器以信号处理算法的流程为基本逻辑结构，没有控制程序，一般只能完成一种主要的处理功能，所以又称专用信号处理器。如快速傅里叶变换处理器、数字滤波器等。这类处理器虽然功能局限，但有较高的处理速度。可编程信号处理器则可通过编程改变处理器所要完成的功能，有较大的通用性，所以又称通用信号处理器。随着通用信号处理器性能价格比的不断提高，它在信号处的应用日益普及。
已开发的可编程信号处理器大致上有三类：①位由基本位长为2，4，8位的微处理片为主体，配以程序控制片、中断及DMA控制片、时钟片等构成。采用微程序控制、分组指令格式，可按需要构成所需字长的系统。其优点是处理速度快、效率高。缺点是功耗较大，片子的数量也较多。②单片信号处理器。它将运算器、乘法器、存储器、程序只读存储器（ROM)、输入输出接口，甚至模/数数/模转换等全部集成在单片上。其运算速度快、精度高、功耗低通用性强。与通用的微处理器相比它的指令集合和寻址方式更适合于信号处理常用的运算和数据结构。③超大规模集成电路（VLSI）阵列处理器。这是一种利用大量处理单元在单指令序列控制下对不同的数据完成相同的操作，从而获得高速计算的信号处理器。非常适合于大数据量、大计算量、运算重复性强的信号处理任务。它们常与通用计算机联用，构成强有力的信号处理系统现有的阵列处理器大致上有两类，即脉动阵列处理器。
和波动阵列处理器。前者采用全阵列统一的同步时钟和控制驱动机制，具有结构简单、模块性好、易于扩展等优点。而后者采用各单元独立定时，数据驱动机制。给编程和容错设计带来一定方便，在处理速度上也提高 [2] 。
发展方向
数字信号处理器从20世纪70年代的专用信号处理器开始发展到VLSI阵列处理器，其应用领域已经从最初的语音、声纳等低频信号的处理发展到雷达、图像等视频大数据量的信号处理。由于浮点运算和并行处理技术的利用，信号处理器理能力已得到极大的提高。数字信号处理器还将继续沿着提高处理速度和运算精度两个方向发展在体系结构上数据流结构以至人工神经网络结构等将可能成为下一代数字信号处理器的基本结构模式。
算法格式
DSP的算法有多种。绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：尾数×2指数。
浮点算法是一种较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围(这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示)。浮点DSP在应用中，设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。浮点DSP比定点DSP更容易编程，但是成本和功耗高。
由于成本和功耗的原因，一般批量产品选用定点DSP。编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。如果要求易于开发，而且动态范围很宽、精度很高，可以考虑采用浮点DSP。
也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算，但是这样的软件程序会占用大量处理器时间，因而很少使用。有效的办法是“块浮点”，利用该方法将具有相同指数，而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。“块浮点”处理通常用软件来实现。
数据宽度
所有浮点DSP的字宽为32位，而定点DSP的字宽一般为16位，也有24位和20位的DSP，如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系，所以字宽的长短直接影响到器件的成本。字宽越宽则尺寸越大，管脚越多，存储器要求也越大，成本相应地增大。在满足设计要求的条件下，要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。
在关于定点和浮点的选择时，可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。例如，通过将指令组合连用，一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法(当然双精度算法比单精度算法慢得多)。如果单精度能满足绝大多数的计算要求，而仅少量代码需要双精度，这种方法也可行，但如果大多数的计算要求精度很高，则需要选用较大字宽的处理器。
请注意，绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样，也有一些不一样，如ADI(模拟器件公司)的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。
处理速度
处理器是否符合设计要求，关键在于是否满足速度要求。测试处理器的速度有很多方法，最基本的是测量处理器的指令周期，即处理器执行最快指令所需要的时间。指令周期的倒数除以一百万，再乘以每个周期执行的指令数，结果即为处理器的最高速率，单位为每秒百万条指令MIPS。
但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样，单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。一些新的DSP采用超长指令字(VLIW)架构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比传统DSP少，因此相对VLIW和通用DSP器件而言，比较MIPS的大小时会产生误导作用。
即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位，而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位；有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理(在执行指令的同时加载操作数)，而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理；有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。
解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作(而不是指令)作为标准来比较处理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息，在绝大多数DSP中，MAC操作仅在单个指令周期内实现，其MAC时间等于指令周期时间，如上所述，某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能，而这种操作在所有的应用中都会用到。
最通用的办法是定义一套标准例程，比较在不同DSP上的执行速度。这种例程可能是一个算法的“核心”功能，如FIR或IIR滤波器等，也可以是整个或部分应用程序(如语音编码器)。图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。
在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS(百万次操作每秒)和MFLOPS(百万次浮点操作每秒)参数，因为不同的厂商对“操作”的理解不一样，指标的意义也不一样。例如，某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作，因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。
其次，在比较处理器时钟速率时，DSP的输入时钟可能与其指令速率一样，也可能是指令速率的两倍到四倍，不同的处理器可能不一样。另外，许多DSP具有时钟倍频器或锁相环，可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。
实际应用
语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。
图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。
军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。
仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。
自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。
医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。
家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等
启珑微电子(北京)有限公司(Chiplon Microelectronics Co.,Ltd)成立于2011年，总部位于北京中关村创新园—绿地云谷科技中心，是一家专注于DSP数字信号处理器的集成电路设计企业。 公司由多位有欧美留学、工作经历的归国人员创办，坚实的理论功底和丰富的芯片设计经验奠定了启珑微电子的高起点和高水准，并迅速成长为业内具有自主知识产权的中国IC设计品牌之一。 启珑微电子七年磨一剑，专精于DSP数字信号处理器及嵌入式解决方案提供和服务。现已获三十七项专利，五十六项版图设计权，核心技术涵盖超低功耗，高可靠性多核DSP+ARM SOC等方面。 公司已成功研制并量产了以CLM320VC5509、CLM320C6713、CLM320F28335、CLM320LF2407为代表的32位定点运算、32位浮点运算及16位定点运算数字信号处理器产品。产品打破了国外企业对数字信号处理器（DSP)在工业智能领域的垄断局面，这在我国工业控制领域DSP芯片是少有的。产品关键性能指标上优于国外同类产品，主频更高、更低功耗、更高ESD抗干扰能力。可以为客户带来更高效更可靠的应用，并明显较低开发使用成本。
数字信号处理器（digital signal processor) 由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成某种信号处理任务的处理器。它是为适应高速实时信号处理任务的需要而逐渐发展起来的。随着集成电路技术和数字信号处理算法的发展，数字信号处理器的实现方法也在不断变化，处理功能不断提高和扩大。
内置数字信号处理器(DSP，DigitalSignalProcessor)是车载主机内以逻辑电路对音视频数字信号进行再加工处理的专用元件，是一个统称名词，包括数字效果器、EQ、3D环绕等等。数字信号处理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。
应用
数字信号处理器并非只局限于音视频层面，它广泛的应用于通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域。以往是采用通用的微处理器来完成大量数字信号处理运算，速度较慢，难以满足实际需要；而同时使用位片式微处理器和快速并联乘法器，曾经是实现数字信号处理的有效途径，但此方法器件较多，逻辑设计和程序设计复杂，耗电较大，价格昂贵。数字信号处理器DSP的出现，很好的解决了上述问题。DSP可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。
对于车载主机而言，数字信号处理器DSP主要是提供特定的音场或效果，例如剧场、爵士乐等等，有些还能接收高清晰度(HD)无线电和卫星无线电等等，以达到最大的视听享受。数字信号处理器DSP增强了车载主机的性能和可用性，提高了音视频质量、提供了更多的灵活性和更快的设计周期。随着技术的发展，相信以后还能提供更多的听觉和视觉特效，而使车载主机成为车内的高科技信息和娱乐中心 [1] 。
分类
数字信号处理器按其可编程性可分为可编程和不可编程两大类。不可编程的信号处理器以信号处理算法的流程为基本逻辑结构，没有控制程序，一般只能完成一种主要的处理功能，所以又称专用信号处理器。如快速傅里叶变换处理器、数字滤波器等。这类处理器虽然功能局限，但有较高的处理速度。可编程信号处理器则可通过编程改变处理器所要完成的功能，有较大的通用性，所以又称通用信号处理器。随着通用信号处理器性能价格比的不断提高，它在信号处的应用日益普及。
已开发的可编程信号处理器大致上有三类：①位由基本位长为2，4，8位的微处理片为主体，配以程序控制片、中断及DMA控制片、时钟片等构成。采用微程序控制、分组指令格式，可按需要构成所需字长的系统。其优点是处理速度快、效率高。缺点是功耗较大，片子的数量也较多。②单片信号处理器。它将运算器、乘法器、存储器、程序只读存储器（ROM)、输入输出接口，甚至模/数数/模转换等全部集成在单片上。其运算速度快、精度高、功耗低通用性强。与通用的微处理器相比它的指令集合和寻址方式更适合于信号处理常用的运算和数据结构。③超大规模集成电路（VLSI）阵列处理器。这是一种利用大量处理单元在单指令序列控制下对不同的数据完成相同的操作，从而获得高速计算的信号处理器。非常适合于大数据量、大计算量、运算重复性强的信号处理任务。它们常与通用计算机联用，构成强有力的信号处理系统现有的阵列处理器大致上有两类，即脉动阵列处理器。
和波动阵列处理器。前者采用全阵列统一的同步时钟和控制驱动机制，具有结构简单、模块性好、易于扩展等优点。而后者采用各单元独立定时，数据驱动机制。给编程和容错设计带来一定方便，在处理速度上也提高 [2] 。
发展方向
数字信号处理器从20世纪70年代的专用信号处理器开始发展到VLSI阵列处理器，其应用领域已经从最初的语音、声纳等低频信号的处理发展到雷达、图像等视频大数据量的信号处理。由于浮点运算和并行处理技术的利用，信号处理器理能力已得到极大的提高。数字信号处理器还将继续沿着提高处理速度和运算精度两个方向发展在体系结构上数据流结构以至人工神经网络结构等将可能成为下一代数字信号处理器的基本结构模式。
算法格式
DSP的算法有多种。绝大多数的DSP处理器使用定点算法，数字表示为整数或-1.0到+1.0之间的小数形式。有些处理器采用浮点算法，数据表示成尾数加指数的形式：尾数×2指数。
浮点算法是一种较复杂的常规算法，利用浮点数据可以实现大的数据动态范围(这个动态范围可以用最大和最小数的比值来表示)。浮点DSP在应用中，设计工程师不用关心动态范围和精度一类的问题。浮点DSP比定点DSP更容易编程，但是成本和功耗高。
由于成本和功耗的原因，一般批量产品选用定点DSP。编程和算法设计人员通过分析或仿真来确定所需要的动态范围和精度。如果要求易于开发，而且动态范围很宽、精度很高，可以考虑采用浮点DSP。
也可以在采用定点DSP的条件下由软件实现浮点计算，但是这样的软件程序会占用大量处理器时间，因而很少使用。有效的办法是“块浮点”，利用该方法将具有相同指数，而尾数不同的一组数据作为数据块进行处理。“块浮点”处理通常用软件来实现。
数据宽度
所有浮点DSP的字宽为32位，而定点DSP的字宽一般为16位，也有24位和20位的DSP，如摩托罗拉的DSP563XX系列和Zoran公司的ZR3800X系列。由于字宽与DSP的外部尺寸、管脚数量以及需要的存储器的大小等有很大的关系，所以字宽的长短直接影响到器件的成本。字宽越宽则尺寸越大，管脚越多，存储器要求也越大，成本相应地增大。在满足设计要求的条件下，要尽量选用小字宽的DSP以减小成本。
在关于定点和浮点的选择时，可以权衡字宽和开发复杂度之间的关系。例如，通过将指令组合连用，一个16位字宽的DSP器件也可以实现32位字宽双精度算法(当然双精度算法比单精度算法慢得多)。如果单精度能满足绝大多数的计算要求，而仅少量代码需要双精度，这种方法也可行，但如果大多数的计算要求精度很高，则需要选用较大字宽的处理器。
请注意，绝大多数DSP器件的指令字和数据字的宽度一样，也有一些不一样，如ADI(模拟器件公司)的ADSP-21XX系列的数据字为16位而指令字为24位。
处理速度
处理器是否符合设计要求，关键在于是否满足速度要求。测试处理器的速度有很多方法，最基本的是测量处理器的指令周期，即处理器执行最快指令所需要的时间。指令周期的倒数除以一百万，再乘以每个周期执行的指令数，结果即为处理器的最高速率，单位为每秒百万条指令MIPS。
但是指令执行时间并不能表明处理器的真正性能，不同的处理器在单个指令完成的任务量不一样，单纯地比较指令执行时间并不能公正地区别性能的差异。一些新的DSP采用超长指令字(VLIW)架构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比传统DSP少，因此相对VLIW和通用DSP器件而言，比较MIPS的大小时会产生误导作用。
即使在传统DSP之间比较MIPS大小也具有一定的片面性。例如，某些处理器允许在单个指令中同时对几位一起进行移位，而有些DSP的一个指令只能对单个数据位移位；有些DSP可以进行与正在执行的ALU指令无关的数据的并行处理(在执行指令的同时加载操作数)，而另外有些DSP只能支持与正在执行的ALU指令有关的数据并行处理；有些新的DSP允许在单个指令内定义两个MAC。因此仅仅进行MIPS比较并不能准确得出处理器的性能。
解决上述问题的方法之一是采用一个基本的操作(而不是指令)作为标准来比较处理器的性能。常用到的是MAC操作，但是MAC操作时间不能提供比较DSP性能差异的足够信息，在绝大多数DSP中，MAC操作仅在单个指令周期内实现，其MAC时间等于指令周期时间，如上所述，某些DSP在单个MAC周期内处理的任务比其它DSP多。MAC时间并不能反映诸如循环操作等的性能，而这种操作在所有的应用中都会用到。
最通用的办法是定义一套标准例程，比较在不同DSP上的执行速度。这种例程可能是一个算法的“核心”功能，如FIR或IIR滤波器等，也可以是整个或部分应用程序(如语音编码器)。图1为使用BDTI公司的工具测试的几款DSP器件性能。
在比较DSP处理器的速度时要注意其所标榜的MOPS(百万次操作每秒)和MFLOPS(百万次浮点操作每秒)参数，因为不同的厂商对“操作”的理解不一样，指标的意义也不一样。例如，某些处理器能同时进行浮点乘法操作和浮点加法操作，因而标榜其产品的MFLOPS为MIPS的两倍。
其次，在比较处理器时钟速率时，DSP的输入时钟可能与其指令速率一样，也可能是指令速率的两倍到四倍，不同的处理器可能不一样。另外，许多DSP具有时钟倍频器或锁相环，可以使用外部低频时钟产生片上所需的高频时钟信号。
实际应用
语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。
图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。
军事；保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。
仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。
自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。
医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。
家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等
启珑微电子(北京)有限公司(Chiplon Microelectronics Co.,Ltd)成立于2011年，总部位于北京中关村创新园—绿地云谷科技中心，是一家专注于DSP数字信号处理器的集成电路设计企业。 公司由多位有欧美留学、工作经历的归国人员创办，坚实的理论功底和丰富的芯片设计经验奠定了启珑微电子的高起点和高水准，并迅速成长为业内具有自主知识产权的中国IC设计品牌之一。 启珑微电子七年磨一剑，专精于DSP数字信号处理器及嵌入式解决方案提供和服务。现已获三十七项专利，五十六项版图设计权，核心技术涵盖超低功耗，高可靠性多核DSP+ARM SOC等方面。 公司已成功研制并量产了以CLM320VC5509、CLM320C6713、CLM320F28335、CLM320LF2407为代表的32位定点运算、32位浮点运算及16位定点运算数字信号处理器产品。产品打破了国外企业对数字信号处理器（DSP)在工业智能领域的垄断局面，这在我国工业控制领域DSP芯片是少有的。产品关键性能指标上优于国外同类产品，主频更高、更低功耗、更高ESD抗干扰能力。可以为客户带来更高效更可靠的应用，并明显较低开发使用成本。
相关数据
被浏览次数
编辑次数
